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积分型直流数字电压表的设计
学校：
陇东学院
系别：
信息工程学院
专业：
计算机科学与教育
班级：
10级1班
指导老师：
马宏艳
姓名：
高治章梁明明
积分型直流数字电压表的设计
摘要……………………………………………………………………3
第一部分：
系统方案……………………………………………………3
第二部分：
理论分析与计算…………………………………………4
第三部分：
电路与程序设计…………………………………………8
总结……………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………14
附录一主程序流程图………………………………………………15
附录二元器件清单……………………………………………………17
附录三部分源程序……………………………………………………20
摘要：
本设计为具有精度高，抗干扰强等优点的双积分式直流数字电压表,A/D转换器部分采用普通元器件构成模拟部分，利用MEGA8单片机借助软件实现数字计数显示功能，同时采用MEGA8单片机编程实现直流电压表量程的自动转换、自动校零、和液晶显示等功能。
第一部分系统方案
一、总体方案设计与比较
方案一：
运用三极管产生积分电路，并用继电器控制导通性，并用计数器计数转换，这种电路误差较大，不能自动转换量程。
方案二：
用运放OP07产生积分电路，同时运用单片机控制模拟开关，从而自动转换，自动调零，同时对输入电压经过分段落处理，也经过放大，比较，来调节其电压，最终通过单片机对电压进行转换并用液晶显示出来，最终达到积分式直流电压表的目的。
这种方案积分性好，容易控制，自动化强，精确高。
1、 总体电路构成
本系统由输入放大与量程转换电路、双积分A/D转换电路、单片机计数控制电路、LCD数字显示器构成。
总体结构框图如图1所示。
图1总体电路框图
2、工作原理
我们小组根据题目要求与发挥部分要求，选择方案二,电压比较器输入电压经过放大电路，比较电路，积分电路，最终把电压送入单片机进行处理，最终用液晶显示出来。
灵活运用单片机控制模拟开关，利用单片机的自动调零，还有实现量程的自动转换的功能，然后，用液晶LCD128*64显示出来。
二、各单元电路设计
1、程控放大电路：
完成输入信号的调理和量程（200mV，2V或更多）的转换。
2、自动校零电路：
输入电压信号经过信号调理电路（程控放大等）、双积分电路等处理，最后转化成时间信号，单片机将时间量化成数字信号输出。
由于外界因素（如温度等）的影响，即使输入的电压信号等于0，输出的数值也不等于0，且数值随外界因素（如温度）的变化而变化，即零点漂移。
实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入，完成自动校零功能。
3、积分器电路：
由运放组成，完成电压－时间的转换。
4、控制部分：
我们现在利用单片机软件编程与模拟开关硬件控制P1^3将量程分为200mv到2V发挥部分的第2项要求，同时实现自到转换的功能。
这达到发挥部分的第7个要求。
通过液晶LCD128*64里面数据可以显示达到十进制0~19999的显示功能，这完成发挥部分的第3项。
同时再用单片机P1^1实现自动校零的功能。
5、显示电路：
完成人机对话。
6、电源电路：
为各电路提供电源。
第二部分理论分析与计算
一、输入放大与量程自动转换电路
输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换。
输入电路的核心是输入放大器和模拟开关CD4066组成的量程自动转换电路，如图2所示。
TG1、TG2是单片机控制的模拟开关，采用CD4066芯片，控制不同的增益。
各种组合分析如下：
（1）200mv量程。
TG2导通，放大电路被接成电压串联负反馈放大器。
放大倍数Af及最大的输出电压Uomx分别为：
图2输入放大与量程自动转换电路
Uomx=200mV×20=4V
（2）2V量程。
TG1导通，此时的电压放大倍数Af及最大的输出电压Uomx分别为：
Uomx=200×20=4V
由上述计算可见，输入A／D转换器的规范电压为0-4V，同时电路被接成了电压串联负反馈放大器形式，输入电阻高达10000㏁，完全达到题目的要求，电路输入端采用RC低通滤波电路抑制交流干扰。
二、积分式A／D转换器
双积分电路是本系统的核心电路，由模拟开关、基准电压源、积分器和比较器构成。
其电路原理框图如下图所示。
图3积分式A／D转换器的原理图
图3是一个双积分式A／D转换器的原理图。
当S1打向Vx时，积分器对Vx进行固定时间（0～T1）的正向积分，当t=T1时，积分器的输出电压为：
当S1打向-Vref时，积分器从t=T1时开始对-Vref进行反向积分。
反向积分时间为T2=t2-t1，由三要素法可知：
所以
亦即
式
（1）
式
（1）表明反向积分时间T2与输入的模拟信号值Vx成正比。
当两次积分完成后，过零比较器输出电平Uo2跳变为低电平，通知单片机停止定时，计算反积分时间T2。
其工作波形图如下图所示。
图4双积分式A／D转换波形图
三、计数器的设计
题目基本要求测量分辨率为1mV（2V档），因此计数器至少要11位，发挥部分要求测量分辨率为0.1mV（2V档），计数器至少要15位，故本设计采用MEG8单片机实现控制和脉冲计数，构成16位计数器，内部采用16MHZ晶振，完全满足分辨率15位和转换速度2次/S的要求。
第三部分电路与程序设计
一、双积分A/D转换器模拟电路部分
图5双积分A/D转换器模拟电路部分
二、单片机控制、计数、显示部分电路
采用MEGA8单片机实现对CD4066模拟开关的通断控制，从而实现量程自动转换、自动校零以及三斜积分A/D转换过程的控制；同时利用单片机编程实现16位高速计数功能。
显示部分采用LCD128*64液晶显示器实现A/D转换数据和测量电压值的显示。
单片机控制、计数器以及LCD液晶显示电路如图6、7所示。
图6单片机控制、计数器电路
图7LCD128*64液晶显示电路
三、基准电压产生电路
图8基准电压信号生成电路
自行设计了一个从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的基准电压源，选用TL431AA，其电压精度可以达到0.5%；两组电压跟随器选用精密运放OP07；可变电阻RW101、RW103选用多圈精密可变电阻；电位器RW102选用10圈线绕精密电位器。
由TL431产生2.50V电压，经电位器RW101分压得到100mV电压送给第一组电压跟随器（由IC101组成）输入端。
第一组电压跟随器的输出由多圈精密电位器RW102进行分压，分压后的信号由第二组电压跟随器（由U2组成）输出0--100mV的可调电压作为A/D转换电路的电压基准。
四、主程序流程（见附录一）
图9主程序流程图
五、结论
电路设计完成后，通过进行分辨率、测量误差以及转换速度测试，测试结果表明本设计达到了设计的基本和发挥部分的全部要求，并且具备自动校零和自动转换量程的功能。
总结
本系统采用双积分式A/D转换器将输入的直流电压ui转换成与ui成正比的时间间隔，在此期间用MEGA8单片机计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时，计数器记录的数字量正比于输入的模拟电压，从而实现模拟量到数字量的转换。
在设计过程中，因为使用普通器件，元器件较多，而且输入信号较弱容易受到干扰，所以力求硬件电路简单，努力从工艺上下功夫，并对某些电路进行创新。
本系统达到了竞赛题目中的各项要求。
同时，设计过程中遇到了许多困难，设计上还存在许多值得改进的地方。
通过本次设计，我们深刻体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。
参考文献：
1.张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，20XX年
2.曹建平.智能化仪器原理及应用.西安电子科技大学出版社.20XX年
3.杨志忠.数字电子技术.高等教育出版社.2000年
附录一：
主程序流程
附录二：
元器件清单
元件清单
直流基准电压产生电路元件清单
器件名
规格（型号）
数量
备注
运算放大器
OP07
2
精密运算放大器
可调电阻
10KΩ
1
电阻
20Ω
1
200Ω
1
电容
47µF/16v
3
100µF/16v
2
二极管
1N4007
2
可调压稳压二极管
TL431AA
1
精度0.5%
精密电位器
2.2KΩ/2W
1
十圈线绕式
双积分A/D转换电路元件清单
运算放大器
Op07
2
精密运算放大器
电压比较器
LM311
2
高速精密
模拟开关
CD4066
2
电容
0.22uF
1
电阻
1KΩ
1
20kΩ
1
9kΩ
1
电压比较器
LM311
1
可调电阻
10KΩ
4
单片机部分电路元件清单
单片机
MEGA8
1
电容
100µF
1
0.1µF
1
22pF
2
电阻
10KΩ
1
晶振
16MHz
1
显示电路元件清单
液晶
WYM1602A
1
可调电阻
1KΩ
1
电源电路元件清单
集成电路
CW7805
1
CW7905
1
CW7812
1
CW7912
1
电阻
10Ω
4
整流桥
RS307L
2
电容
0.1µF、
8
1000µF
12
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